发酵过程控1制PPT课件
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高中生物新人教版选择性必修3发酵工程及其应用课件(29张)
2．下列对发酵罐内发酵的相关叙述，不正确的是 ( ) A．该过程是发酵工程的中心环节 B．应随时检测培养液中微生物的种类、产物浓度等 C．要严格控制温度、pH 和溶解氧等发酵条件 D．要及时添加必需的营养成分 答案：B
[归纳提升] 影响发酵过程的因素 (1)温度 ①温度影响酶活性。在最适温度范围内，随着温度的升高，菌 体生长和代谢加快，发酵反应的速率加快。当超过最适温度范 围以后，随着温度的升高，酶很快失活，菌体衰老，发酵周期 缩短，产量降低。 ②温度影响生物合成的途径。例如：金色链霉菌在 30 ℃以下 时，合成金霉素的能力较强，当温度超过 35 ℃时，则只合成 四环素而不合成金霉素。
(3)溶解氧 氧的供应对需氧发酵来说，是一个关键因素。必须向发酵液中 连续补充大量的氧，并要不断地进行搅拌，这样可以提高氧在 发酵液中的溶解度。 (4)泡沫 ①通气搅拌、微生物的代谢过程及培养基中某些成分的分解等， 都有可能产生泡沫。 ②过多的持久性泡沫对发酵是不利的。因为泡沫会占据发酵罐 的容积，影响通气和搅拌的正常进行，甚至导致代谢异常。
时还通过摩擦产生了热能。
答案：D
3．有关谷氨酸发酵的叙述中正确的是
()
A．发酵中要不断通入空气
B．培养条件不当将不能得到产品
C．搅拌的唯一目的是使空气成为小泡
D．冷却水可使酶活性下降 解析：进行谷氨酸发酵的菌种是异养需氧型微生物，所以要在
培养过程中不断通入空气，但是必须通入的是无菌空气，普通
空气容易造成杂菌污染。搅拌不但使空气成为小气泡以增加培
(2)由谷氨酸棒状杆菌发酵可以得到谷氨酸，谷氨酸经过一系列处
理就能制成味精
(√)
(3)食品工业中经常用到的酶制剂都是通过发酵工程生产的 (×)
发酵工程 ppt课件
100%
酵母菌
单细胞真菌，具有真核细胞结构 ，有产孢子繁殖和水生、好气性 生长及醇发酵和糖发酵等类型。
80%
霉菌
丝状真菌的俗称，意即多细胞的 真菌，在自然界中广泛存在。
微生物的营养需求
水
微生物细胞的主要组成部分， 是良好的溶剂，能维持酶活性 ，参与代谢反应。
无机盐
参与细胞构成和代谢反应，对 细胞的渗透压平衡和酸碱平衡 起着重要作用。
利用发酵技术生产面包、啤酒 、酸奶等食品。
医药工业
生产抗生素、疫苗、干扰素等 生物药物。
化学工业
生产燃料、化学品、塑料等物 质。
环境治理
利用微生物处理废水、废气， 实现环境保护和治理。
02
发酵工程的基本原理
微生物的种类与特性
80%
细菌
根据形态可分为球菌、杆菌、螺 旋菌等，根据对人类的关系可分 为致病菌、条件致病菌和益生菌 。
细胞分离
通过离心、过滤等技术将菌体从发酵液中分离出 来。
产物纯化
通过一系列的分离纯化技术，如蒸馏、结晶、色 谱等，将产物纯化至所需的规格和纯度。
04
发酵工程的应用实例
酒精发酵Βιβλιοθήκη 010203
酒精发酵简介
酒精发酵是一种通过酵母 菌将糖类物质转化为乙醇 的过程，广泛应用于酒精 饮料、化工等领域。
酒精发酵工艺流程
提高产物的产量与质量
代谢工程
通过代谢工程手段，对微生物的代谢途径进行优化，提高目标产 物的产量和纯度。
过程控制
采用先进的传感器和在线监测技术，实时监测发酵过程，实现精 准控制，提高产物质量。
降低生产成本与环境污染
节能减排技术
采用新型发酵设备，提高设备利用率和能源利用效率，降低能耗和碳排放。
发酵过程优化与控制(第五章、丙酮酸发酵)ppt课件
二、蛋白胨浓度对丙酮酸发酵的影响 实验结果（图5-3）表明：初始葡萄糖浓度为80g/L，当培养 基中蛋白胨浓度为15g/L时，丙酮酸产量较高，低于15g/L时，葡 萄糖消耗速度较慢，细胞干重和丙酮酸产量也较低；而高于 15g/L时，丙酮酸产量明显下降。
三、豆饼水解液和无机氮源对丙酮酸发酵的影响
1、豆饼水解液对丙酮酸发酵的影响 实验结果（图5-4）表明：豆饼水解液浓度为5g/L时，发酵
用微生物中某一具有特定功能的酶完成由底物（如乳酸）
向丙酮酸的转化。 具体包括如下4种方法：
1、酵母直接发酵生产丙酮酸 常用的酵母有球拟酵母、嗜盐酵母、假丝酵母、得巴利酵 母等，其中球拟酵母属菌株，特别是烟酸、硫胺素、吡哆醇和 生物素4种维生素的营养缺陷型T.glabrata IFO 0005是发酵法生 产丙酮酸的首选菌株。
T.glabrata IFO 0005在只有聚蛋白胨而不添加维生素的种子培养
基上照样生长良好的实验结果表明聚蛋白胨中所含有的维生素 足以满足多重维生素营养缺陷途径中的作用显然无法得
出明确的结论，也不可能使丙酮酸产率达到很高的水平。
2、由于培养基中四种维生素的水平直接影响PDC
（丙酮酸脱羧酶）、PHD（丙酮酸脱氢酶系）、PC（丙 酮酸羧化酶）和PT（转氨酶）的活性，仅仅通过单因素
实验很难分析出烟酸、硫胺素、吡哆醇和生物素各自在丙
酮酸过量合成中的作用，也就谈不上合理优化策略的确定。 3、已有报道认为较高的溶氧有利于丙酮酸的积累， 但溶氧要高到什么程度，应当怎样控制等具体问题并没有 定论。此外，如果把生物素作为主要因素，溶氧作为次要 因素，这两种因素组合起来会对丙酮酸发酵过程产生什么 影响也未有报道。
葡萄糖 乙醇 Ⅰ 硫胺素 Ⅰ：丙酮酸脱羧酶（PDC） Ⅱ：转氨酶（PT） Ⅲ：丙酮酸羧化酶（PC） Ⅳ：丙酮酸脱氢酶系（PDH） 丙酮酸 Ⅳ Ⅱ 吡哆醇 氨基酸 硫胺素 烟酸 生物素
教学培训PPT发酵过程工艺控制
30
三、CO2浓度的控制
二氧化碳浓度的控制根据它对发酵的影响而定。 通气搅拌控制二氧化碳浓度 ； 二氧化碳的产生与补料控制有密切关系
31
第五节 流加补料的控制
优点：
1.可以解除底物抑制、产物的反馈抑制和分解代谢物 阻遏作用；
2.避免因一次性投料过多造成细胞大量生长，耗氧过
多而造成波谷现象；
3.可用作控制细胞质量的手段； 4.可作为理论研究的手段，为自动控制和最优化控制
➢ ➢ 单独使用效果差，常与分散剂（微晶二氧化硅）一起使用
23
（5）消泡剂的应用和增效
A 消泡剂加载体增效 B 消泡剂并用增效 C 消泡剂乳化增效。
24
2 机械消泡
靠机械力引起强烈振动或者压力变化， 促使泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的 液体加以分离回收。
25
理想的机械消泡装置： 动力小 结构简单 坚固耐用 清洗、杀菌容易 维修保养费用少
生产阶段：pH趋于稳定 自溶阶段：pH上升
12
引起pH下降的因素：
（凡是导致酸性物质生成或释放及碱性物质消耗的发 酵，其pH都会下降）
1）培养基中碳氮比例不当，碳源过多，特别是葡萄糖过 量，或者中间补糖过多加之溶解氧不足，致使有机酸大 量积累而pH下降。 2）消泡油加得过多 3）生理酸性物质的存在，氨被利用，pH下降
13
引起pH上升的因素：
（凡是导致碱性物质生成或释放，酸性物质消耗 的发酵，其pH都会上升） 1）培养基中碳氮比例不当，氮源过多，氨基氮释放， 使pH上升。 2）生理碱性物质存在 3）中间补料中氨水或尿素等碱性物质的加入过多使pH 上升。
14
三、 发酵过程中 pH的调节与控制 1添加碳酸钙法； 2氨水流加法； 3尿素流加法
三、CO2浓度的控制
二氧化碳浓度的控制根据它对发酵的影响而定。 通气搅拌控制二氧化碳浓度 ； 二氧化碳的产生与补料控制有密切关系
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第五节 流加补料的控制
优点：
1.可以解除底物抑制、产物的反馈抑制和分解代谢物 阻遏作用；
2.避免因一次性投料过多造成细胞大量生长，耗氧过
多而造成波谷现象；
3.可用作控制细胞质量的手段； 4.可作为理论研究的手段，为自动控制和最优化控制
➢ ➢ 单独使用效果差，常与分散剂（微晶二氧化硅）一起使用
23
（5）消泡剂的应用和增效
A 消泡剂加载体增效 B 消泡剂并用增效 C 消泡剂乳化增效。
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2 机械消泡
靠机械力引起强烈振动或者压力变化， 促使泡沫破裂，或借机械力将排出气体中的 液体加以分离回收。
25
理想的机械消泡装置： 动力小 结构简单 坚固耐用 清洗、杀菌容易 维修保养费用少
生产阶段：pH趋于稳定 自溶阶段：pH上升
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引起pH下降的因素：
（凡是导致酸性物质生成或释放及碱性物质消耗的发 酵，其pH都会下降）
1）培养基中碳氮比例不当，碳源过多，特别是葡萄糖过 量，或者中间补糖过多加之溶解氧不足，致使有机酸大 量积累而pH下降。 2）消泡油加得过多 3）生理酸性物质的存在，氨被利用，pH下降
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引起pH上升的因素：
（凡是导致碱性物质生成或释放，酸性物质消耗 的发酵，其pH都会上升） 1）培养基中碳氮比例不当，氮源过多，氨基氮释放， 使pH上升。 2）生理碱性物质存在 3）中间补料中氨水或尿素等碱性物质的加入过多使pH 上升。
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三、 发酵过程中 pH的调节与控制 1添加碳酸钙法； 2氨水流加法； 3尿素流加法
食品发酵ppt课件
原料处理
清洗、破碎、榨汁、混合等，以 适应发酵工艺的需求。
菌种制备与接种
菌种选择
根据发酵类型选择适合的菌种， 如乳酸菌、酵母菌、霉菌等。
菌种制备
扩大培养、纯化、传代等，确保 菌种质量和数量满足发酵需求。
接种
将制备好的菌种接种到处理好的 原料中，开始发酵过程。
发酵过程控制
温度控制
根据菌种和产品需求， 控制发酵温度，以促进 菌种生长和代谢。
食品发酵的卫生与环境控制
卫生管理
01
制定严格的卫生管理制度，确保生产过程中的卫生条件符合国
家相关法规和标准要求。
环境监控
02
对发酵生产环境进行实时监控，确保环境温度、湿度、空气质
量等符合生产要求，防止污染和交叉感染。
废弃物处理
03
对发酵生产过程中产生的废弃物进行妥善处理，防止对环境和
人体健康造成危害。
04
03
食品发酵对人类健康的影响
营养价值
发酵食品富含益生菌和生物活性物质，有助于改 善肠道菌群平衡和增强免疫力。
功能性食品
开发具有特定功能的发酵食品，如降血压、降血 糖等。
过敏风险
部分发酵食品可能含有过敏原，需关注过敏体质 人群的食用安全。
食品发酵的环境友好性
节能减排
采用节能技术和设备，降低发酵过程中的能源消耗和温室气体排 放。
06 食品发酵的未来发展与挑战
新技术与新工艺在食品发酵中的应用
基因工程
通过基因工程技术改良菌种，提高发Fra bibliotek效率 和产物质量。
连续发酵技术
代谢工程
通过代谢工程手段优化微生物代谢途径，实 现高效合成特定产物。
采用连续发酵工艺，提高设备利用率和生产 效率。
清洗、破碎、榨汁、混合等，以 适应发酵工艺的需求。
菌种制备与接种
菌种选择
根据发酵类型选择适合的菌种， 如乳酸菌、酵母菌、霉菌等。
菌种制备
扩大培养、纯化、传代等，确保 菌种质量和数量满足发酵需求。
接种
将制备好的菌种接种到处理好的 原料中，开始发酵过程。
发酵过程控制
温度控制
根据菌种和产品需求， 控制发酵温度，以促进 菌种生长和代谢。
食品发酵的卫生与环境控制
卫生管理
01
制定严格的卫生管理制度，确保生产过程中的卫生条件符合国
家相关法规和标准要求。
环境监控
02
对发酵生产环境进行实时监控，确保环境温度、湿度、空气质
量等符合生产要求，防止污染和交叉感染。
废弃物处理
03
对发酵生产过程中产生的废弃物进行妥善处理，防止对环境和
人体健康造成危害。
04
03
食品发酵对人类健康的影响
营养价值
发酵食品富含益生菌和生物活性物质，有助于改 善肠道菌群平衡和增强免疫力。
功能性食品
开发具有特定功能的发酵食品，如降血压、降血 糖等。
过敏风险
部分发酵食品可能含有过敏原，需关注过敏体质 人群的食用安全。
食品发酵的环境友好性
节能减排
采用节能技术和设备，降低发酵过程中的能源消耗和温室气体排 放。
06 食品发酵的未来发展与挑战
新技术与新工艺在食品发酵中的应用
基因工程
通过基因工程技术改良菌种，提高发Fra bibliotek效率 和产物质量。
连续发酵技术
代谢工程
通过代谢工程手段优化微生物代谢途径，实 现高效合成特定产物。
采用连续发酵工艺，提高设备利用率和生产 效率。
发酵过程控制与优化ppt课件
一、温度对发酵的影响 1.影响反应速率 2.影响发酵方向
另外，还影响发酵液的粘度、溶氧和酵温度是既适合菌体的生长又适合 代谢产物合成的温度。
随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生 长阶段不同而改变。
三、发酵过程引起温度变化的因素——发酵热
Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐
射
四、温度的控制
一般不需加热，因 释放了大量的发酵热， 需要冷却的情况多。
用夹套或蛇形管， 通冷却水。
第三节 pH变化及其控制
一、pH变化的原因
1.基质代谢
（1）糖代谢 糖分解成小分子酸、醇，使pH下降。 糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一。
（2）氮代谢 氨基酸中的-NH2被利用，pH下降； 尿素被分解成NH3，pH上升。
生长的最适pH值与发酵的最适pH值
举例：Aspergillus niger在pH2~2.5范围时有利于合 成柠檬酸，当在pH2.5~6.5范围内时以菌体生长为主， 而在pH7.0时，则以合成草酸为主。
2.pH的控制
(1)调节好基础培养基的pH。
若控制消后pH在6.0，消前pH往往要调到6.56.8。 (2)通过加酸碱和中间补料来控制。
罐内消泡: 靠罐内消泡浆打碎泡沫。 罐外消泡：靠喷嘴的加速作用消除泡沫。
2.消泡剂消泡
机理: 降低液膜的机械强度 降低液膜的表面粘度
（1）天然油脂类：豆油、玉米油、棉子油、菜 籽油（还可作为碳源），用量大，0.1% 0.2%。 （2）聚醚类：又称泡敌，消泡能力为豆油的 1020倍，用量少，0.02%-0.03%。
第六节 发酵染菌及其防治
一、染菌的检查、判断
（一）观察法
1. 菌体浓度（OD值）异常（OD:optical density） 2. 溶解氧（DO）异常 3. pH值异常 4. 泡沫过多
另外，还影响发酵液的粘度、溶氧和酵温度是既适合菌体的生长又适合 代谢产物合成的温度。
随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生 长阶段不同而改变。
三、发酵过程引起温度变化的因素——发酵热
Q发酵＝Q生物＋Q搅拌－Q蒸发－Q辐
射
四、温度的控制
一般不需加热，因 释放了大量的发酵热， 需要冷却的情况多。
用夹套或蛇形管， 通冷却水。
第三节 pH变化及其控制
一、pH变化的原因
1.基质代谢
（1）糖代谢 糖分解成小分子酸、醇，使pH下降。 糖缺乏，pH上升，是补料的标志之一。
（2）氮代谢 氨基酸中的-NH2被利用，pH下降； 尿素被分解成NH3，pH上升。
生长的最适pH值与发酵的最适pH值
举例：Aspergillus niger在pH2~2.5范围时有利于合 成柠檬酸，当在pH2.5~6.5范围内时以菌体生长为主， 而在pH7.0时，则以合成草酸为主。
2.pH的控制
(1)调节好基础培养基的pH。
若控制消后pH在6.0，消前pH往往要调到6.56.8。 (2)通过加酸碱和中间补料来控制。
罐内消泡: 靠罐内消泡浆打碎泡沫。 罐外消泡：靠喷嘴的加速作用消除泡沫。
2.消泡剂消泡
机理: 降低液膜的机械强度 降低液膜的表面粘度
（1）天然油脂类：豆油、玉米油、棉子油、菜 籽油（还可作为碳源），用量大，0.1% 0.2%。 （2）聚醚类：又称泡敌，消泡能力为豆油的 1020倍，用量少，0.02%-0.03%。
第六节 发酵染菌及其防治
一、染菌的检查、判断
（一）观察法
1. 菌体浓度（OD值）异常（OD:optical density） 2. 溶解氧（DO）异常 3. pH值异常 4. 泡沫过多
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每种微生物对温度的要求可用最适温度、最高温 度、最低温度来表征。在最适温度下，微生物生 长迅速；超过最高温度微生物即受到抑制或死亡； 在最低温度范围内微生物尚能生长，但生长速度 非常缓慢，世代时间无限延长。在最低和最高温 度之间，微生物的生长速率随温度升高而增加， 超过最适温度后，随温度升高，生长速率下降， 最后停止生长，引起死亡。
二、温度的影响与控制
（一）温度对发酵的影响 1、温度对微生物细胞生长的影响
发酵过程的反应速率实际是酶反应速率，酶反应有 一个最适温度。
从阿累尼乌斯方程式可以看到 dlnKr/dt=E/RT2
积分得
E= 4.6logKr2 / Kr1 1/T1 1/T2
E——活化能
Kr——速率常数
4 .6 log K r 2
微生物受高温的伤害比低温的伤害大，即超 过最高温度，微生物很快死亡；低于最低温 度，微生物代谢受到很大抑制，并不马上死 亡。这就是菌种保藏的原理。
二、微生物与温度相关性的原理
1、微生物对温度的要求不同与它们的膜结构物 理化学性质有密切关系
根据细胞膜的液体镶嵌模型，细胞在正常生理条 件下，膜中的脂质成分应保持液晶状态，只有当 细胞膜处于液晶状态，才能维持细胞的正常生理 功能，使细胞处于最佳生长状态
最佳状态，从而最终实现目标值，达到最大的比产物生成速率。要实现最 佳工艺必须对诸如温度、pH、溶解氧浓度、泡沫等进行控制。
发酵工艺控制最优化
明确控制目标
明确影响因素
确定实现目标值的方法
确定最佳工艺Biblioteka 实施最佳工艺第一节 温度变化及其控制
一、温度对生长的影响
不同微生物的生长对温度的要求不同，根据它们对温 度的要求大致可分为四类：嗜冷菌适应于0～26oC生 长，嗜温菌适应于15～43oC生长，嗜热菌适应于 37～65oC生长，嗜高温菌适应于65oC以上生长
三、发酵过程引起温度变化的因素
（一）发酵热Q发酵
发酵热是引起发酵过程温度变化的原因。
所谓发酵热就是发酵过程中释放出来的净热量。 什么叫净热量呢？在发酵过程中产生菌分解基质 产生热量，机械搅拌产生热量，而罐壁散热、水 分蒸发、空气排气带走热量。这各种产生的热量 和各种散失的热量的代数和就叫做净热量。发酵 热引起发酵液的温度上升。发酵热大，温度上升 快，发酵热小，温度上升慢。
2、蛋白质结构
人们采用二种方案来研究酶在低温条件下的结 构完整性和催化功能：(1)通过自然或诱导突变， 将特定残基发生改变的蛋白与其天然结构进行 对比；(2)对比同属嗜热、嗜温及嗜冷菌的蛋白 结构
通过对嗜冷酶的蛋白质模型和X一射线衍射分析表 明，嗜冷酶分子间的作用力减弱，与溶剂的作用加 强，酶结构的柔韧性增加，使酶在低温下容易被底 物诱导产生催化作用
微生物的生长温度与细胞膜的液晶温度范围相一 致。
什么是液晶状态？
液晶状态是指某些有机物在发生固相到液相转变时的 过渡状态称为液晶态。
由固态转变为液晶态的温度称为熔点，以T1表示；
由液晶态转变为液态的温度称为清亮点，以T2表示。
T1与T2之间的温度称为液晶温度范围。
那么为什么不同微生物对温度的要求不同呢？根据细 胞膜脂质成分分析表明，不同最适温度生长的微生物， 其膜内磷脂组成有很大区别。嗜热菌只含饱和脂肪酸， 而嗜冷菌含有较高的不饱和脂肪酸。
4、合成冷休克蛋白
低温微生物适应低温的另一机制是合成冷休克 蛋白。将大肠杆菌从37oC突然转移到10oC条件时细 胞中会诱导合成一组冷休克蛋白，它们对低温的生 理适应过程中发挥着重要作用，检测嗜冷酵母的冷 休克反应，发现冷刺激后冷休克蛋白在很短时间内 大量产生。
耐冷菌由于生活在温度波动的环境中，它们必 须忍受温度的快速降低，这与它们产生的冷休克蛋 白是密切相关的。
E
K r1
11
T1 T2
K与温度有关
E越大温度变化 对K的影响越大
2.温度对产物形成的影响 温度对细菌的生长、产物合成的影响可能是不同的
青 霉 素
12oC～30oC
3.温度影响发酵液的物理性质
温度还可以通过改变发酵液的物理性质, 间接影响微生物的生物合成。如:温度对 氧在发酵液中的溶解度就有很大的影响。
3、蛋白质合成
嗜冷菌具有在0oC合成蛋白质的能力。这是由于 其核糖体、酶类以及细胞中的可溶性因子等对 低温的适应，蛋白质翻译的错误率最低。许多 中温菌不能在OoC合成蛋白质，一方面是由于其 核糖体对低温的不适应，翻译过程中不能形成 有效的起始复合物，另一方面是由于低温下细 胞膜的破坏导致氨基酸等内容物的泄露。
183千焦耳转变为高能化合物 104.2千焦以热的形式释放 厌氧：产生22.6千焦耳热量，
9.6千焦耳转变为高能化合物 13千焦以热的形式释放 二个例子中转化为高能化合物分别为63.7％和42.6％
培养过程中生物热的产生具有强烈的时间性。
生物热的大小与呼吸作用强弱有关
在培养初期，菌体处于适应期，菌数少，呼吸作用缓慢， 产生热量较少。
第7章 发酵工艺控制
微生物学教研室
发酵工艺控制最优化
在特定的发酵生产过程中，生产效率的高低取 决于工艺和工艺控制的最优化，即能否实现生产过 程内的最优化控制。生产过程最优化控制的实现， 包含了从明确目标到目标值实施等全部内容。
问题
如何实施最佳工艺？
实施最佳工艺就是通过优化管理，严格执行发酵工艺，将发酵控制在
现在来分析发酵热产生和散失的各因素。
1、生物热Q生物
在发酵过程中，菌体不断利用培养基中的营养物 质，将其分解氧化而产生的能量，其中一部分用于合 成高能化合物（如ATP）提供细胞合成和代谢产物合 成需要的能量，其余一部分以热的形式散发出来，这 散发出来的热就叫生物热。
生物热与发酵类型有关
微生物进行有氧呼吸产生的热比厌氧发酵产生的热多 一摩尔葡萄糖彻底氧化成CO2和水 好氧：产生287.2千焦耳热量，
4、温度影响生物合成的方向
四环素产生菌金色链霉菌同时产生金霉素和四环素， 当温度低于30oC时，这种菌合成金霉素能力较强；温度 提高，合成四环素的比例也提高，温度达到35oC时，金 霉素的合成几乎停止，只产生四环素。
温度还影响基质溶解度，氧在发酵液中的溶解度也 影响菌对某些基质的分解吸收。因此对发酵过程中的温 度要严格控制。